心脏外科术后急性肺损伤主要生物标志物的研究进展

张航，虞敏，谷彤彤，袁忠祥

急性肺损伤（acute lung injury，ALI）是心脏外科手术常见并发症之一，发生率为10%～25%［1］，其主要临床表现为低氧血症、呼吸过速、胸片显示双肺弥漫性浸润影，主要发病机制与体外循环（cardiopulmonary bypass，CPB）引起的非感染性全身炎症反应综合征（SIRS）和肺缺血-再灌注损伤有关。急性呼吸窘迫综合征（ARDS）是ALI的严重阶段，其病死率较高［2］。目前，诊断ALI/ARDS主要依据《急性呼吸窘迫综合征：柏林标准》［2］，与1994年欧美共识会议提出的ARDS诊断标准［3］相比，其可行性及可靠性更好，但目前尚缺少早期诊断ALI简便、有效的临床指标［4］。生物标志物是指可以标记系统、器官、组织、细胞及亚细胞结构或功能改变的生化指标，可用于疾病诊断。近年来随着临床对心脏外科术后ALI病理生理学研究深入，CPB引起的炎性因子及肺组织缺血-再灌注损伤后的活化细胞分子可能成为诊断ALI的潜在生物标志物。本文综述了心脏外科术后ALI主要生物标志物的研究进展，以期为ALI的早期诊断提供参考。

1 中性粒细胞

中性粒细胞是参与ALI发生、发展的重要效应细胞，属于肺内炎性因子。CPB引起肺组织缺血-再灌注后，中性粒细胞过度激活并聚集于靶组织，产生大量生物活性物质（如细胞因子、氧自由基、蛋白酶）释放大量毒素，进而促进炎性反应发展，导致肺组织损伤。弹性蛋白酶（NE）和髓过氧化物酶（MPO）是中性粒细胞产生的细胞毒性分子，已被证实参与ALI病理生理变化过程。

1.1 NE NE是中性粒细胞激活后产生的一类炎性递质，属于丝氨酸超家族成员，其主要生理功能是分解中性粒细胞吞噬的外源性有机分子。炎性反应时激活的中性粒细胞可释放大量NE至细胞外，引发弹性蛋白和胶原蛋白降解，进而导致组织、细胞和血管基底膜损伤。目前主流医学观点认为，NE在ALI的病理生理过程中发挥着重要作用，主要依据如下：（1）动物模型ALI和ALI患者NE水平均升高［5］；（2）体外应用NE可导致典型的ALI症状［6］；（3）抑制NE活性可减轻ALI临床症状［5，7］。既往研究结果显示，NE被认为是CPB术后反映中性粒细胞活化程度的生物标志物［8］，且血浆NE水平升高可增加肺泡-动脉氧分压差和肺血管阻力［9］。TONZ等［10］研究发现，心脏病患者行常温或低温CPB期间血浆NE水平均明显升高，在CPB结束时达峰值，且肺泡-动脉血氧分压、呼吸指数、肺内分流率等均与血浆NE水平变化一致，提示肺损伤与血浆NE水平有关。中性粒细胞是参与ALI发生的重要细胞，而NE是评价中性粒细胞活化程度的客观指标，故可作为心脏外科术后ALI发生的生物标志物。

1.2 MPO MPO存在于中性粒细胞溶酶体内，是中性粒细胞胞质颗粒的主要组成部分及清除氧自由基的必需酶。肺组织中MPO含量增加提示中性粒细胞在肺内聚集、浸润并伴随大量氧自由基产生，故肺组织中MPO含量升高常提示肺损伤的发生。既往研究结果显示，ALI患者支气管肺泡灌洗液（BALF）中MPO活性明显升高［11］。MCCABE等［12］研究将MPO作为预测先天性膈疝术中中性粒细胞活性及肺损伤的血清标志物。AYAZ等［13］研究结果显示，中性粒细胞是CPB术后发生ALI的关键环节，且肺毛细血管内皮细胞通透性与血浆MPO水平呈正相关。因此，MPO作为衡量中性粒细胞激活的客观指标，可用于评估心脏外科术后ALI的发生。

2 炎性细胞因子

炎性细胞因子属于全身炎性因子。CPB可引起多种炎性细胞激活和一系列炎性因子释放，进而引发肺组织损伤。ALI的早期研究主要集中于炎性细胞因子，既往研究结果显示，单核细胞趋化因子1（MCP-1）水平与冠状动脉旁路移植术（CABG）后并发肺炎有关［14］，白介素8（IL-8）水平升高可增加大血管术后肺泡毛细血管通透性［15］，白介素6（IL-6）、IL-8水平升高可增加CABG后呼吸功能不全发生率［16］。此外，IL-6、IL-8、白介素10（IL-10）、MCP-1及γ-干扰素诱导蛋白10（IP-10）水平升高均可导致移植肺功能障碍［17］。一项Meta分析结果显示，肿瘤坏死因子α（TNF-α）、白介素1β（IL-1β）、IL-6、IL-8、IL-10可评估ARDS患者预后［18］。笔者认为由CPB引起的SIRS、脓毒血症也属于急性炎性疾病，患者体内炎性因子水平亦升高，故炎性细胞因子可作为心脏外科术后ALI的辅助诊断指标。

3 肺泡上皮细胞损伤标志物

3.1 可溶性晚期糖基化终末产物受体（sRAGE） sRAGE是细胞表面分子免疫球蛋白超家族成员之一，在Ⅰ型肺泡上皮细胞（AEC Ⅰ）中表达水平较高，其作为多配体受体，可通过核因子κB（NF-κB）激活炎性反应［19］。既往研究结果显示，ARDS患者血浆和肺水肿液sRAGE水平均高于心源性肺水肿患者及健康志愿者［19］。TUINMAN等［20］研究发现，CABG和瓣膜手术后患者血浆sRAGE水平均升高，肺泡毛细血管通透性增加；LIU等［21］研究结果显示，高水平sRAGE已被证实是儿童心脏术后发生ALI的独立预测因子。此外，无论儿童还是成年人心脏术后血浆sRAGE水平升高均会导致氧合指数下降、ALI发生风险升高及拔管和住院时间延长［22］。因此，sRAGE在ALI的发生、发展过程中发挥着重要作用，当细胞损伤或机体处于应激状态时sRAGE可通过受损的毛细血管或肺泡进入血液和肺泡液。

3.2 表面活性蛋白D（SP-D） SP-D属于亲水性蛋白，主要由肺泡 Ⅱ型上皮细胞（AEC Ⅱ）合成、分泌，在肺部防御和免疫调节方面发挥着重要作用。BINNIE等［23］研究结果显示，在评估ALI/ARDS预后的生物标志物中，SP-D具有较高的灵敏度及特异度。ENGELS等［24］进行的一项前瞻性研究结果显示，术后1 h合并ALI的患者血浆SP-D水平明显升高，且CPB-CABG的患者血浆SP-D水平高于行非体外循环CABG患者，提示术后血浆SP-D水平与ALI的发生有关。杨卿等［25］通过分析49例ICU ARDS患者发现，发病早期血清SP-D水平升高是ICU ARDS患者死亡的独立危险因素。EISNER等［26］研究结果显示，血浆SP-D水平升高患者住院期间、呼吸机辅助通气时间较长，器官衰竭发生率及病死率较高。因此，SP-D可作为诊断心脏外科术后ALI的生物标志物，且对评估患者预后具有重要意义。

3.3 KL-6 KL-6是表达于AEC Ⅱ和呼吸性细支气管上的糖蛋白。既往研究发现，血浆KL-6水平与肺损伤严重程度和疾病预后有关［27］；且各类间质性肺疾病患者BALF和血浆KL-6水平均明显升高［28］；此外，KL-6也是诊断肺移植患者术后并发支气管炎的主要参考指标［29］。KL-6是AEC Ⅱ损伤的特异性标志物［27］，可作为诊断心脏外科术后ALI的参考指标。

4 支气管上皮细胞损伤标志物

Clara细胞分布于细支气管黏膜上，可分泌Clara细胞分泌蛋白（CCSP），因CCSP相对分子量为15 840，故又称为CC16。CC16具有抗炎、抗氧化、抑制肿瘤细胞生长及转移等多种生物学功能，支气管上皮表面的CC16是正常人血清浓度的10 000倍，故外周血CC16主要来自呼吸道。ALI发生时Clara细胞数量减少，BALF CC16水平下降，而血浆CC16水平升高［30］，且血浆CC16水平升高会增加患者死亡风险［31］。此外，在CABG或瓣膜手术中，CC16均被作为观察肺损伤的主要参考指标［24，32］。CC16分子量较小，易扩散至血液，且血浆CC16水平与高病死率有关，故CC16可作为心脏外科术后肺损伤的生物标志物。

5 肺血管内皮细胞损伤标志物

人内皮细胞特异性分子1（ESM-1）主要表达于肺血管内皮细胞和肾小管上皮细胞。既往研究结果显示，脓毒血症患者ESM-1水平急剧升高，且其与疾病严重程度有关，可作为判断脓毒血症患者预后的临床指标［33］。ALI发生时，ESM-1作为保护因子可阻止中性粒细胞迁移至肺脏，进而减轻肺损伤。MIKKELSEN等［34］通过分析48例严重创伤患者发现，并发ALI者血浆ESM-1水平低于未并发ALI者，此外ESM-1＞7 ng/ml患者ALI发生率较低，较低水平ESM-1提示内皮细胞处于易损伤状态，可能更易发展为ARDS。ESM-1作为内皮细胞保护因子，可反映内皮细胞损伤程度及体内炎性反应严重程度。目前，有关ESM-1与ALI关系的研究仍处于早期阶段，且不同原因所致的ALI患者ESM-1水平有所不同，还需进一步研究探索。

6 微小RNA（miRNA）

miRNA是从真核生物体内发现的一类具有调节功能的非编码小RNA，作为一种基因表达的负性调节因子，其参与调节多数信号转导通路及细胞的生命历程，如细胞的增殖、分化及血管生成、感染-免疫反应、细胞间相互作用等。miRNA的表达失调与一系列疾病相关，包括心律失常、ARDS、慢性阻塞性肺疾病（COPD）、糖尿病、慢性感染、肿瘤等。

近年来，miRNA作为一类新型基因调控分子，在肺损伤的细胞凋亡和炎性反应过程中发挥着关键作用［28，35］。有关miRNA与细胞凋亡的研究结果显示，体内缺乏某些特定的miRNA会使细胞凋亡增加，而细胞凋亡参与了ALI的发生过程［36］。有关miRNA和AEC Ⅱ的研究结果显示，与凋亡相关的miRNA包括miRNA-449A-5P、miRNA-34b/c-5p、miRNA-200a/c-3p等数十种凋亡基因，提示miRNA在AECⅡ凋亡过程中发挥着关键作用，对ALI具有调节作用［37］。在机械通气所致肺损伤中，高潮气量可导致miRNA表达发生明显变化，故miRNA可能成为机械通气相关肺损伤的潜在治疗靶点［38］。CPB导致肺缺血-再灌注损伤动物实验结果显示，心肺转流术后肺组织中miRNA-let-7d、miRNA-21、miRNA-107、miRNA-145、miRNA-146a、miRNA-182、miRNA-192、miRNA-126、miRNA-152、miRNA-16、miRNA-155、miRNA-142-5p、miRNA-223表达明显上调，推测miRNA有助于预测心肺转流术后肺损伤［39］。miRNA在血浆中的表达处于动态变化，可反映细胞内外信号变化。既往多项研究监测过血浆miRNA水平在疾病发展过程中的变化，其中WANG等［40］研究发现，miRNA-146a和miRNA-223能减轻患者SIRS程度，其诊断败血症具有较高的灵敏度和特异度；MCLEAN等［28］研究发现，循环血miRNA-126、miRNA-17～92簇、miRNA-130、miRNA-21和miRNA-221可作为ALI/ARDS在内的多种肺部炎性疾病的生物标志物，可用于预测肺泡毛细血管功能及修复再生情况。

miRNA在血液、组织液及其他体液中均可监测到，且特定的miRNA在特定的组织中较稳定，几乎不受样本处理误差的影响，这使miRNA作为肺损伤新型标志物成为可能。目前，有关miRNA和ALI关系的研究仍处于早期阶段，且miRNA数量庞大、种类繁多并多基于细胞或动物实验研究，许多调控机制目前仍不十分清楚。但miRNA的差异性表达会影响ALI的发生发展，随着临床对复杂和特定miRNA的研究深入，miRNA可能成为ALI的分子治疗靶点和新型生物标志物。

7 凝溶胶蛋白

凝溶胶蛋白（gelsolin）是凝溶胶蛋白超家族成员之一，广泛存在于多种组织和细胞中，其是一种重要的肌动蛋白结合蛋白，可通过切断、封端肌动蛋白丝或使肌动蛋白聚集成核等方式而控制肌动蛋白结构。凝溶胶蛋白主要分为胞质型凝溶胶蛋白（cGSN）和血浆型凝溶胶蛋白（pGSN），其中pGSN是肌动蛋白清除剂及新型炎性调节因子，可通过与多种炎性递质结合而调节炎性反应，其在抑制炎性反应扩散过程中发挥着重要作用。

早在1988年，SMITH等［41］就发现，油酸诱发的ALI中有大量肌动蛋白释放，pGSN水平下降，同时外周血中可以检测到Actin-凝溶胶蛋白复合物。近年来，有关肺脏中凝溶胶蛋白水平的研究报道较多。CHRISTOFIDOU-SOLOMIDOU等［42］研究发现，在氧化应激肺损伤模型中，pGSN水平下降；在靶向损伤肺内皮细胞肺损伤模型中，pGSN水平与肺损伤严重程度呈负相关；在高浓度吸氧引发的肺损伤模型中，pGSN水平下降的同时伴有大面积肺损伤，提示不同原因导致的ALI中，pGSN水平下降均能诱导或加重肺损伤。SHI等［43］通过观察77例行先天性心脏病修补术的患儿发现，术前pGSN水平是预测术后发生ALI的独立危险因素，且其与ALI严重程度呈负相关，故可将术前pGSN水平作为先天性心脏病修补术后肺损伤的早期预测指标。LEE等［44］研究也证实了外源性补充凝溶胶蛋白制剂能有效缓解ALI引发的肺泡毛细血管通透性增加、减少肺部炎性细胞浸润，进而减轻肺损伤严重程度。因此，凝溶胶蛋白不仅参与维持肺脏正常生理功能，同时还参与了肺损伤的发生发展。

笔者推测心脏术后并发ALI时pGSN大量减少的原因可能如下：（1）pGSN大量聚集于肺损伤炎性部位，且还要清除血浆中坏死组织或细胞释放的肌动蛋白；（2）pGSN与CPB中的大量炎性递质结合，以减轻炎性反应程度。pGSN作为一种新型肺损伤标志物，尽管目前研究结果显示其具有肺脏保护作用，但pGSN的具体作用机制仍不清楚，还需进一步研究探讨。

8 小结与展望

心脏外科术后并发ALI患者缺乏特异性临床表现，ALI/ARDS病因不同其发病机制及细胞信号转导通路亦可能不同。目前认为良好的生物标志物对疾病有很好的预测作用，但生物标志物易受年龄、性别、种族、时间等影响，故采用高精度、敏感、可靠的实验测量工具检测生物标志物显得非常重要。目前，临床已发现20多种与ALI相关的生物标志物，主要包括炎性因子及白细胞、肺泡上皮细胞、支气管上皮细胞、肺血管内皮细胞来源的生物标志物，其中SP-D、CC16诊断ALI的灵敏度较高。miRNA和凝溶胶蛋白作为新型ALI生物标志物，虽未用于临床，但有望成为诊断ALI的新途径。近年来随着分子生物学不断发展，诊断ALI的新型生物标志物被不断发现，而ALI的发病涉及多个环节，且单个生物标志物难以反映疾病发生发展过程，故应联合多种生物标志物诊断ALI及评估预后。